Мираж в оргстекле

Все знают, что миражи бывают в пустыне и на море. Перед вами — фотографии миража в куске оргстекла.

Для того чтобы получить мираж в оргстекле, достаточно перевернуть и закрепить утюг, положить на него черную бумагу, а на нее — брусок оргстекла с отполированными плоскими торцами. Найти такой кусок и отполировать торцы можно в мастерских, которые выполняют разовые заказы на изделия из акрила.

Нарисуйте и приложите к дальнему торцу бруска маленькую картинку. У нас хорошо получилось с домиком и пальмой. Важно, чтобы картинка была невысокая — 10–25 мм, так как весь эффект происходит в нижнем слое оргстекла, то есть там, где градиент температуры наибольший.

Утюг надо включить на среднюю мощность и решительно нагреть до температуры 120–140 градусов. Если у вас есть тестер с температурным датчиком, то используйте его. Если нет — смочите палец и пробуйте утюг на ощупь до появления облачка пара. Как нагреется, выдергивайте штепсель из розетки.

Снова смотрим сквозь дальний торец — и видим пальму вместе с ее перевернутым (зеркальным) изображением. Обратите внимание, что нижняя грань бруска становится зеркальной, и как бы загибается вниз. После остывания оргстекло вернется в прежнее состояния и отражение исчезнет.

Сравните то, что вы увидели, с этой фотографией:

Изображение © Ctein с сайта ctein.com

На ней отчетливо видна линия раздела реального объекта и его зеркального отражения. И то, и другое — мираж, в данном случае — так называемый нижний мираж (см. Inferior mirage), возникающий при прогреве воздуха от земной или морской поверхности.

Другой пример такого миража — так называемый Omega sunrise, который называют так из-за очевидного сходства с греческой буквой омега ¹.

Изображение © Bob Harrison с сайта treknature.com

Как же это получается?

Мираж происходит в связи с искривлением лучей, проходящих от объекта наблюдения к зрителю через среду (например, воздух, воду и даже оргстекло), в которой присутствует значительный градиент температуры.

В природных условиях причиной этого обычно является прогрев нижнего слоя воздуха от земной или морской поверхности. Поэтому наблюдать миражи можно, как правило, только на линии горизонта. Например, вот такая картинка является чистой выдумкой:

Изображение с сайта NOAA photo library

В мираже всегда есть хотя бы одно перевернутое (отраженное) изображение наблюдаемого объекта — само слово «мираж» (mirage) предположительно происходит от французского глагола se mirer, что означает ‘отражаться, смотреть на свое изображение в зеркале’.

Давайте разберемся, как получается нижний мираж — именно тот, который мы наблюдали в оргстекле (см. схему).

Мы предположим, что созданы условия, при которых нижний слой воздуха сильно прогрет. Это вполне реально в пустыне, над морем, над асфальтовым покрытием и, конечно же, в бруске оргстекла, нагретом снизу утюгом.

Соответственно, T_A > T_B > T_C. Также отметим, что в слое A температура изменяется по высоте быстрее, чем в слоях B и C.

Плотность воздуха обратно пропорциональна его температуре, а скорость света обратно пропорциональна плотности среды. Значит, скорость распространения света меняется так же, как температура: в слое A она выше и далее снижается в слоях B и C.

Итак, у поверхности земли скорость распространения света максимальна и снижается с высотой. Запомним это и разберемся, как ведет себя свет в таких условиях.

Пусть в некоторой точке, расположенной в слоях A–B, находится источник света. От этого источника, как от поплавка на воде, во все стороны расходится электромагнитная волна (свет). Каждая точка пространства, до которой дошла эта волна, — волновой фронт — является источником так называемых вторичных волн. Совокупность этих вторичных волн дает результирующий волновой фронт в «следующий» момент времени (точнее, результат интерференции вторичных сферических волн в каждой точке пространства дает результирующее световое поле в данной точке). Это утверждение называется принципом Гюйгенса—Френеля.

В однородной среде волновой фронт будет расширяющейся сферой, а лучи (перпендикуляры к волновому фронту) — прямыми линиями. Но в нашем случае на пути этой сферы (в нижнем слое A) возникает область повышенной температуры. Там выше скорость света, а значит, и выше скорость распространения волнового фронта. Получается, что в нижней части волновой фронт будет как бы обгонять свою верхнюю часть. Поскольку каждая точка волнового фронта сама является источником вторичных волн, которые определяют новое положение волнового фронта, понятно, что результирующий волновой фронт будет загибаться снизу вверх по мере своего распространения от источника света.

Луч света — линия, перпендикулярная волновому фронту, — очевидно, также будет не прямым, а изогнутым. Таким образом, луч света поворачивает от менее плотной области в более плотную.

Теперь вернемся к нашей схеме.

Каждая точка объекта (на схеме справа) является источником отраженного света. Отраженные лучи, попавшие в глаз наблюдателя, формируют на сетчатке изображение объекта.

Рассмотрим два луча (изображены красным), пришедшие к наблюдателю от объекта. Один шел по верху, практически через однородную среду, а значит, остался прямым. Этот луч создаст на сетчатке глаза «нормальное» изображение данной точки.

А другой луч шел от объекта чуть вниз — в сторону повышения температуры и, соответственно, скорости света. Как мы уже знаем, луч света «отворачивает» от области пониженной плотности, а значит, он пойдет по дуге и придет к наблюдателю снизу.

Наблюдатель, разумеется, не может знать, каким маршрутом шел луч, и будет добросовестно считать, что видит данную точку снизу, из-под горизонта. Таким образом, наблюдатель будет видеть два изображения одной точки: в ее «нормальном» месте и ее отражение внизу.

То же самое рассуждение можно провести для всех точек объекта, и получится, что наблюдатель видит два изображения: нормальное и перевернутое внизу. Именно поэтому данный вид миража и называется «нижний».

Помимо нижнего бывает также верхний мираж (Superior mirage), когда перевернутое изображение выше нормального, тройной мираж (перевернутое изображение между двумя нормальными) и, наконец, мираж фата-моргана (комбинация вышеперечисленного). Обратите внимание, термин «фата-моргана» — вовсе не синоним понятия «мираж», как многие полагают, а название определенного типа миража.

И, наконец, важная рекомендация: не перегрейте оргстекло, а то изменения станут необратимыми и мираж останется в нем навсегда.

Фотографии миража в оргстексле и экспериментальной установки — © Михаил Кухаренко.

Михаил Кухаренко

¹ Интересно, что в Японии этот же вид миража называют Daruma sun, так как Солнце становится похожим на традиционную японскую куклу-неваляшку дарума. Дарума — японское произношение имени Бодхидхарма. Кукла используется в ритуале загадывания желаний. Устойчивость куклы символизирует непоколебимость ее владельца в достижении загаданного желания. Кстати говоря, именно по образу и подобию дарумы была создана всем известная матрешка.